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CDMA数据业务的自适应技术
王刚 熊可成
摘 要:在许多蜂窝系统中, 对于分组数据业务来说SINR(信号与干扰噪声比)远远大于所需
要的值,所以可以提高数据传输速率,同时使得蜂窝的频谱效率有2倍以上的提高。实现的方法
有:减少编码密度、扩频因子或者是增加星座图的密度等等。本文将详细介绍在CDMA系统中提
供数据速率自适应的技术。
关键词:分组数据业务 数据速率自适应
一、综述
Internet和无线业务(话音和数据)的持续飞速发展使得的我们需要增加系统容量、数据传送
速率、支持更多的服务类型(多媒体业务)。更高的数据速率将为我们提供更加广阔的服务业
务范围,包括:
☆基本及增强的话音业务,如电话会议、语音邮件;
☆支持短消息、email、传真等低比特率服务;
☆64-144kb/s的中等速率文件传输和Internet接入;
☆高于144kb/s速率支持高速分组交换和电路交换网络以及高质量的电视会议;
☆交互式业务多媒体服务,支持不同业务的不同QoS(服务质量)要求。
但是,为话音业务而专门设计的蜂窝通信系统运用以下技术来保证通信质量:
☆长度为20ms的帧结构;
☆很强的前向差错控制和交织以获得0.01的误帧率,不需要重新传输。
以上的特点决定了蜂窝通信固有的帧时延和解码时延以及很低的数据率。针对数据业务,这些
条件可以有所变化,比如说:并不需要一个固定的帧长度,可以使用自动重发请求(ARQ)方式来
完成纠错,虽然瞬时数据率是可变的,数据业务可以收益于更高的峰值和平均比特率。
最近的研究表明,在快衰落信道上需要快速的速率调整,但同时我们也应该考虑慢速的速率调
整:衰落和蜂窝传输损耗影响传输速率。由于以下原因,比帧速率更快的自适应对于现有标准
并不适应:
☆反馈时隙一般为几十至几百毫秒。虽然CDMA系统规定了一个快速闭环反馈,它只能用于电路
模式的功率控制,对于速率的控制方法并没有确定。
☆数据的自适应只是在物理层的帧和时隙确定,在时隙或帧传输中并没有允许有可变的调制、
编码、扩频因子的结构。
必须明确,就频谱效率而言,CDMA与TDMA是相同的,CDMA话音业务相对的巨大容量是因为采用
了话音激活技术,而不是其具有更高的频谱效率。更高的数据速率、频谱效率可以通过加强第
二代蜂窝系统来实现, CDMA和TDMA中对于这些增强措施已经进行了标准化:
共享分组数据信道以达到更高的数据速率;
在大范围内利用更高可用的信干比达到数据速率的自适应;
采用与第二代语音标准兼容的时隙和帧格式,同时允许迁移和登记消除;
无信息传输时,移动台处于休眠状态来减少对于空中接口资源的利用,同时还具备快速激活性能。
使用专用和公共控制信道来减少数据分组传输的接入和建立延迟时间;
二、速率自适应的总结
下表总结了第二代及第三代分组数据业务的自适应技术,每一列分别指示:
☆不同速率的指派方法;
☆通知基站移动台使用的速率及格式的方法;
☆信道质量的反馈方式;
☆峰值数据速率的典型值;
CDMA系统的速率自适应是通过可变的扩频因子、编码和码聚集实现的,Walsh码聚集可以获得
更高的码速率。每个用户分配1-8个码,每个都支持9.6kb/s。WCDMA 和cdma2000是通过可变扩
频和编码来完成更高速率信息传输的。
在CDMA系统中,接收机利用导频强度信息来估计SINR。在 IS-95B和cdma2000中,导频信号强度
信息通过导频强度测量信令(PSMM)或增补信道请求信令(SCRM)传输到基站。在WCDMA中的测量
报告还包括误组率、误比特率、接收电平、传输路径损耗和下行链路SINR测量。
在CDMA系统中,信道质量在接收机测量,通过特定信令送给发射机。衡量信道质量的参数包括:
☆误帧率;
☆误符号率或误比特率的均值和标准方差;
☆平均SINR(可以用Viterbi译码器计算欧氏距离,或者利用子空间技术计算)。
三、CDMA的分组数据业务
3.1 IS-95 B
CDMA通过码聚集来实现更高速率的服务。在一个突发瞬间最多有8个码进行传输。激活的高速
分组数据包有一个9.6kb/s 的基本码信道。如果需要更高的数据速率,在前向或反向信道上指
派最多7个增补信道(SCH),这样传输速率可以达到76.8kb/s。基本码信道(FCH)有软切换支持,
还可以进行信令传输和功率控制。增补码信道在分组突发情况下被指派,它的软切换功能是可
选的。如果分组数据业务的误帧率可以接受,减少增补信道的软切换可以提高前向信道的容量。
图1 IS-95B分组数据的发送初始化过程
3.2 cdma2000
cdma2000提供了许多媒质接入层的增强措施,为了减少接入和建立时间,专用控制信道上设计
了5ms的帧结构。除了IS-95的活动和休眠状态,为了快速的接入和建立新设定了两个接入层状
态。控制保持状态是在指定的DCCH(专用公共控制信道)上不连续的传输。这个DCCH允许快速
接入到业务信道和快速激活。在挂起状态,不指定空中接口,但是保存RLP(无线链路协议)状态
来避免重初始化的时延。
cdma2000与IS-95相同,分配到移动台的增补码信道(SCH)数据速率由SCAM信令向移动台指示。
在前向信道也可以考虑使用盲速率检测:移动台接收机假设接收帧为帧集合中的一个进行解码。
基站无须向移动台发送SCAM信令就可以使用基站的任意格式进行数据传输。
cdma2000物理层提供了一个具有可变扩频增益的增补码信道(SCH),而不采用IS-95B中的多码
信道。cdma2000中的增补码信道使用固定的帧长度为20ms的可变扩频因子。最低的扩频因子
为2,在1.25Mhz带宽峰值为307.2 kb/s,在5Mhz带宽情况下,峰值为614.4 kb/s。
另外物理层的增强措施还有:Turbo编码,实现相关检测的反向信道导频,快速前向链路功率控
制,配合窄波束天线工作的前向专用导频。
3.3 WCDMA
WCDMA和cdma2000物理层的增强措施相似。在5M的带宽上支持2.048Mb/s的数据传输速率。通
过可变扩频和1/3基站信道编码删除(Puncture),数据速率的连续集通过使用码率匹配得到,也
就是说,使用重复或者删除来使得编码比特率与物理层信道指定集来匹配。
MAC可以使用两种操作模式:连接或空闲。开机后,直到RRC连接确立进入连接状态,终端一直处
于空闲状态。如果终端处于活动数据传输模式,分配给它专用信道。没有处于活动数据传输模
式的移动台都与公共控制信道相连。在这种状态下,移动台接收广播和寻呼信息,在移动到不同
的蜂窝或登记区域后更新移动台信息。
表3 WCDMA扩频因子和数据速率
对于各种服务混合模式(语音+信令,数据+信令,话音+数据+信令),用户都被指派一个传输模式
混合集(TFCS),格式根据每个物理层状况从中进行选取。通过TFCI(传输模式混合指示)向接收
机指示。由于变化的信道和干扰条件及服务类型的增删,用户的QoS要求得不到满足或者服务状
况发生了变化,TFCS都需要进行动态重组。
WCDMA标准包括网络从移动台获取不同测量的选项。这些测量包括:导频强度测量、误比特率、
误快率、传输损耗和SINR测量,他们都用来帮助网络完成资源分配和切换管理。WCDMA同时规
定了触发信道传送测量信息的标准,网络使用测量控制信令规定移动台应传输的事件和其中包
含的测量。
3.4 CDMA系统的突发指派和管理
CDMA蜂窝系统分组数据业务的数据速率自适应需要动态带宽管理和突发指派。由于空中接口
资源是共享的,所以必须控制前向链路的发射功率和反向信道的接收总功率。在小区边缘会使
用更多的网络资源,突发电平控制是根据系统负载和支持给定速率的空中接口资源来决定的。
在基站和移动台的导频信号能够确定空中接口资源的需求。
在IS-95B和cdma2000中,基本信道的传输无须突发允许指令,更高速率的增补信道的分配是基于
用户需求、系统负载和干扰决定的。在WCDMA中,每个移动台被指派比特率集(TFCS),实际每帧
的速率可以从此集合中进行选取,通过TFCI进行指示。
3.5 码聚集实现更高的数据传输速率
在合适的SINR情况下,码聚集可以提供更高的数据比特率。另外,可用带宽可以由使用不同码的
用户同时享用,还可以提高调制指数。但是如果扩频因子不大,同时具有高的调制率和低的SINR,
符号间干扰(ISI)就成为一大难题,需要仔细的进行分析考虑。
四、总结
CDMA标准有以下资源有效分配的方法:
☆利用导频强度测量信息进行有效的功率和干扰管理;
☆不连续的在专用或公用控制信道传输信头;
速率自适应技术已经在CDMA蜂窝通信系统中得到了应用,以SINR为函数的自适应方法的无线资
源管理仍然是今后的一个研究领域。可以通过设定信道质量反馈机制来执行码速率调整,同时,
干扰消除技术的使用可以同时使CDMA和TDMA系统提高频谱效率。未来的工作是可用带宽的规划
和公平分配以及获得快速准确的信道质量测量来获得系统最大的吞吐量。
作者:王刚 熊可成
北方交通大学现代通信研究所
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